基于FPGA的动态轨道衡数据采集系统

　 随着现代社会的高速发展,衡器行业产生了日新月异的变化.为适应经济发展的需求,衡器行业经历了从机械式到电子式、从静态到动态的发展过程.近几年来的动态电子汽车衡、动态电子轨道衡的发展加快了物流的计量速度,在港口、码头、高速公路、工矿企业中起到了重要作用.作为动态轨道衡的重要组成部分———数据采集系统,它的采样速度快慢、精度高低、抗干扰性的好坏,都严重影响了动态轨道衡的计量性能.笔者提出了基于现场可编程门阵列(FPGA)动态轨道衡数据采集系统.根据动态轨道衡系统需要,提出了现场可编程门阵列做采样控制器的高精度多路串行数据采样控制系统方案[1].

    1　系统简介

    系统控制可以分为数据采集和数据发送2部分.系统总体模块如图1所示.数据采集部分由传感器、模数转换器AD7703和采样控制模块3部分组成.8路待采样模拟信号分别被送入模数转换芯片的模拟输入端,待转换完成之后将结果送给FPGA中的采样控制模块,采样控制模块读入的串行数据处理成并行数据之后传输给数据发送模块.FPGA丰富的硬件资源[2]保证了8路模拟信号可以并行采样,这样8路信号可以保证是同一时刻不同传感器的采样值.对于动态轨道衡,这个特点保证了在之后的数据处理部分不会由于同一组的采样值不同步而造成误差.数据发送模块将其以固定波特率的串行数据流输出,上位机接收到信号之后,可根据不同要求,采取相应算法对数据进行处理.

    系统使用美国ADI公司生产的20位模数转换器AD7703作为采集系统的模数转换元件,其主要性能指标为:分辨率为20位,线性误差为0.000 3%,满量程误差为±4最低有效位;模拟输入范围0~2.5V或±2.5V,达到满量程的±0.000 7%的建立时间为507 904除以主时钟;低通滤波器转折频率为0.1~10.0Hz或主时钟除以409 600Hz;最大输出数据速率4kHz(主时钟除以1 024kHz);采样速率fs为主时钟除以250kHz(最大16kHz);工作温度范围为-40~125℃[3].

　 AD7703特色在于片内采用自校验控制器的数字校准技术,使失调误差和增益误差减为最小;采用采样转换技术,提高了信噪比并简化了芯片模拟电路结构;输入级采用斩波自稳零技术,使AD7703获得极低的输入漂移;有灵活的串行接口,可使AD7703很方便地与移位寄存器和工业MCU接口;在SLEEP工作模式下,可使其功耗降到10μW[4].

    通过对FPGA的配置,使其完成以下3项工作:①对AD7703采样的控制;②接收AD7703转换好的数据,并将之转换为并行数据;③将缓冲级中的并行数据中加入起始位、终止位.通过移位以串行数据流方式送出.